中国北方气候变化特征及其对岩溶水的影响
中国北方气候变化特征及其对岩溶水的影响
王维泰;梁永平;王占辉;赵春红
【摘 要】In recent decades, with the decreasing precipitation and rising temperature under a background of climate change  in  the  karst  areas  of northern  China,  the  recharge  of groundwater  in  the  karst  areas  has declined sharply.  The  climate  change  has  been  one  of the  causes  that  lead  to  a  series  of environmental problems of karst hydrogeology.  This article deals with this problems in 3 aspects:  (1)  taking groundwater systems in karst areas as a unit of measurement, the change and distribution of precipitation in karst areas in northern China are examined; (2) the climate change and its causes are analyzed with statistic methods; (3) the effects of climate changes on groundwater resources in karst area on a regional scale are estimated.%在气候变化的大背景下,近数十年来随着北方岩溶区降水量的趋势性下降和气温的不断升高,岩溶水补给资源量大幅度衰减,气候变化成为引发一系列岩溶水文地质环境问题的原因之一.针对这一问题,以岩溶水系统为单元,采用大量气象系列资料研究北方岩溶区降水变化与分布特征,分析了气候变化发展趋势及成因,从区域角度出发,估算了气候变化对岩溶水资源的影响.
【期刊名称】《水文地质工程地质》外貌描写
集成灶品牌【年(卷),期】2012(039)006
【总页数】6页(P6-10,28)
【关键词】岩溶水;气候变化;影响分析;中国北方
【作 者】王维泰;梁永平;王占辉;赵春红
【作者单位】中国地质科学院岩溶地质研究所,桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所,桂林541004;河北省地勘局第十一地质大队,邢台054000;中国地质科学院岩溶地质研究所,桂林541004
【正文语种】中 文
【中图分类】P641.134
中国北方岩溶水以水量集中程度高，动态稳定，水质良好，在城市供水和能源基地建设中
发挥着不可替代的支撑性作用。近30年来，由于气候变化以及人类活动影响，北方岩溶大泉干涸、流量趋势性衰减、区域水位持续下降并导致岩溶塌陷、地裂、海水入侵等一系列水文地质环境问题，加剧了水资源需求日趋紧张的状况。本文研究了气候变化特征、发展变化趋势及其对岩溶水的影响，对岩溶水资源的合理开发利用与岩溶水管理和保护对策的制定提供参考依据。
收集北方600余个雨量站的年降水量和100余个站年气温系列资料，系列的截止时间为2008年。起始时间受观测站建立时间的限制，多数在20世纪50年代，少数为20世纪60年代，其中有部分(27站)长系列资料，起始时间为20世纪30年代前，最早且完整的系列是天津站、北京站(个别年份缺测)。将这些站点落到北方119个岩溶水系统［1］中，采用的雨量站为332个(图1)，气温站37个。收集下载了1700年以来的年太阳沃尔夫黑子数和1749年以来逐月太阳沃尔夫黑子数数据［1～2］。
异度神剑2对所有气象站点降水量资料按照岩溶水系统进行平均计算，获得119个系统降水量系列数据。
图2(a)是北方119个岩溶水系统平均降水量动态曲线，系列整体呈下降趋势。20世纪50～6
0年代处于丰水阶段，20世纪70年代、2000年后处于平水阶段，20世纪80～90年代处于相对贫水的阶段。
以1980年为界将系列等分为前后两个系列段，对比各岩溶水系统前、后两个系列段的降水量变化(图1)，全区后期较前期平均降水量减少6.49%。区域上，降水量减少幅度呈从东向西、从北向南降低;在地貌上的变化，山区的岩溶水系统(如太行山、燕山、山东鲁中山区中部)比低山丘陵区岩溶水系统的降水量减少幅度要大;依照大地构造控制下的岩溶水系统结构模式［1］，并参考岩溶水文地质分区［3］的岩溶水系统分区(共13个区)进行降水量前后时段变化统计(表1)，减少量最大的是旅大区，其次是燕山区和燕山－太行山接壤区，在北方碳酸盐岩分布比较集中的太行山区减少约10%，向西部吕梁山以东部的太子河区、徐淮区降水量减少一般在5%以下，而南部豫西地区及徐淮地区，岩溶水系统降水量有所增加。按照北方119个岩溶水系统统计与区域上的降幅变化还存在一定差异，降水量减少幅度最大的是北京西山岩溶水系统和山西汾阳马跑泉—峡口泉岩溶水系统，减少幅度在20%以上。形成这种在局部变异的原因初步分析认为与地形条件、人类活动有一定关系。比如南太行山区中部山脊一带的岩溶水系统，五台山下的坪上泉域岩溶水系统、山东泰山—鲁山北侧的岩溶水系统减少幅度相对较小。但确切的原因还有待深入研究。
生活中的哲学
北方气温在20世纪50年代以后表现出趋势性增长的态势，图2(b)是北方岩溶区37个气象站年平均气温动态曲线，图中显示气温虽然在较短时间内存在一定的波动变化，但总体成增长趋势，气温随时间的线性相关系数达到0.74，年均增长幅度为0.028℃。
太阳作为大气和海洋运动能量的基本来源，无疑在大气等系统的运动和变化中有极其重要的作用，因此太阳释放能量的变化直接影响各地的降水量变化。太阳沃尔夫黑子数(后称太阳黑子数)是太阳活动强弱的表征，对1700～2008年年太阳黑子数和1749～2008年月太阳黑子数的周期进行了计算，结果显示可信度在95%以上的周期可分离出9～10个(表2)，其中11年、10年周期最显著，它们的F值均达到6.0以上。其结果与前人的研究太阳黑子数具有8～13年(通常所指11年)的短周期，和89.6～129年的长周期结果一致。近年来，不少学者利用太阳黑子数来研究降水量以及一些极端气候(旱涝指数等)的变化，多数学者认为太阳黑子变化与气候间存在一定的关系［4～6］。从较大时间尺度来看，地球上不同区域降水量的变化趋势，在相当程度上受气候长周期控制。由于我国降水观测系列普遍在100年以内，还不能够对长周期变化进行完整的表述，因 此在分析过程中对长周期的变化以趋势研究为主。
我国北方降水量观测时间长且观测年最完整的是天津、北京站，从1888年至今已有120多年的完整记录，对比1988～2008的太阳黑子数与北京、天津降水量动态曲线(图3)，它们间存在总体接近的起伏变化趋势，在20世纪60年代以后处于同步下降阶段。
由于降水系列长度的关系，将北方分为东部(天津站、济南站、蚌埠站、沈阳站、大连站，系列为1905～2008年)、中部(太原、大同、朔州、忻州、长治、石家庄、三门峡，系列为1919～2008年)和西部(西安站、呼和浩特站、平凉站1929～2008年系列)3个区，分别计算绘制了3个区降水系列与太阳黑子数的差积曲线(图4)，3区降水与太阳黑子数两个系列差积曲线体现的增减趋势在近百年来具有一致性。同时，为了克服小周期以及随机因素对趋势的干扰影响，对东部、中部降水系列与太阳黑子数系列进行了11年等权滑动平均处理，处理后的两个系有显著的正相关性，其相关系数都在0.7以上(图5(a)，(b))，表明它们间存在相近的发展变化趋势。太阳黑子活动对降水量的趋势变化具有明显的影响。
近50年来，全球气温趋势性增加是不争的事实(图2(b))。对全球气温增长原因的研究大体上可归结为自然因素和工业革命以来大量CO2气体排放形成的“温室效应”两方面，孰轻孰重不同的学者看法不尽一致，更多人相信后者是主因。但从北方一些更长系列的气温纪录来
看，情况不尽然，图6中除了北京、保定、沈阳、大连站外，其余各站尽管在20世纪60年代后有增长的趋势，但直到21世纪，最高气温并未显著地超过历史纪录，这一点特别在西部地区(西安、呼和浩特、平凉)尤为明显，因此，导致气温升高的其他的因素必须予以考虑。采用相同的方法对天津站气温系列与太阳黑子数系列进行11年滑动平均处理后，二者呈现出显著的负线性相关关系(图5(c))，108对数据的线性相关系数达到0.738，意味着20世纪60年代后太阳黑子的活动强度趋势性减弱对北方气温的升高具有一定的影响。
大气降水的入渗补给是北方岩溶水最重要的补给源，其主要补给途径包括碳酸盐岩裸露区的降水直接入渗补给、覆盖区的间接入渗补给以及降水形成的地表产流在碳酸盐岩河段的渗漏补给等。从某一流域水量均衡分析，雨水降落到地面后转化为三种形式，即:形成地表径流、渗入地下转化成地下水、通过植被与地表的陆面蒸腾消耗。在这三种形式中，地表坡面流滞留时间短，很快就汇入河槽流走;陆面蒸发与地下入渗部分在包气带内水汽各种能量的转换作用下，从对地下水的补给方面看，呈一种此消彼长的关系，气温一定程度上控制着陆面蒸腾大小。因此，降水量大小以及气温高低对岩溶地下水的入渗都具有重要影响。母亲节礼物图片
岩溶地下水入渗区的分布面积、降水入渗系数和降水量大小决定了岩溶地下水降水入渗补给量。
岩溶地下水入渗区的分布面积在小时间尺度内可认为是固定不变的，根据1∶50万中国北方岩溶环境水文地质图统计计算，北方华北地台区碳酸盐岩裸露区面积7.78×104km2，覆盖区面积8.74×104km2。降水入渗的大小取决于岩石的入渗强度、雨量大小以及降水强度等因素。根据前人资料，区内普遍分布的中奥陶统碳酸盐岩在鲁中、徐淮地区，裸露区降水入渗系数可达 0.31～0.34［2］，中部山西高原一般为 0.2～0.27［8］，在西部桌子山地区仅为 0.13［9］。而中上元古界燧石白云岩由于岩性制约，岩溶发育差入渗系数一般在0.2以下。覆盖区降水入渗量除与覆盖层岩性有关外，还与覆盖层厚度关系密切。水文地质环境地质研究所等在西北黄土区测试的入渗系数为0.05，张之淦研究员在太行山区采用同位素测算的覆盖区入渗系数为0.098 3［10］。
碳酸盐岩裸露区降水入渗系数取0.2，覆盖区取0.07，全区332个雨量站1951～1979年和1980～2008年前后两期降水量由621.92mm减少为584.01mm，则估算的岩溶水降水入渗补给量减少量为26.06 m3/s。
人物性格描述
已知全区岩溶地下水天然资源量108.8×108m3/a［9，11］，则大致估算由于前后两期降水量减少而对岩溶水入渗补给量的减少率为7.6%。

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